梅 昆， 張光榮， 張 智

(深圳市安托山特種機械有限公司，廣東深圳 518104)

0 引言

一般的永磁發(fā)電機，雖然實現(xiàn)了無刷化，且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、高功率密度和高效率等諸多優(yōu)點;但由于其磁場難以調(diào)節(jié)，使其存在輸出電壓不可控、不可調(diào)、電壓穩(wěn)定性差、帶無功負載能力差等缺陷。由此，永磁同步發(fā)電機電壓的調(diào)節(jié)成為制約永磁發(fā)電機發(fā)展的一個瓶頸問題。

針對永磁發(fā)電機磁場無法調(diào)節(jié)的問題，近年來，許多發(fā)達國家，如美國、日本、英國、俄羅斯等，均投入了大量的人力、物力和財力進行理論和應(yīng)用研究。他們提出了各種混合勵磁方案，成為研究的熱點。不同方案各具特點和優(yōu)勢，但也都存在不足。各國對混合勵磁永磁發(fā)電機仍在繼續(xù)進行進一步的深入研究。

深圳市安托山特種機械有限公司于2009年11月開始研制混合勵磁式的雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機新產(chǎn)品。雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機是一種新型的稀土永磁工頻無刷同步發(fā)電機。該產(chǎn)品屬國內(nèi)、外首創(chuàng)，已申報國家發(fā)明專利;正在申報美歐地區(qū)發(fā)明專利。

雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機可克服原永磁工頻無刷同步發(fā)電機電壓不可調(diào)、不可控，電壓穩(wěn)定性差(±10% ～±5%)，帶無功負載能力差(cos φ=0.9(滯后))等缺點;又可保留永磁工頻無刷同步發(fā)電機效率高、體積小、重量輕的優(yōu)點。

1 技術(shù)原理與技術(shù)路線

1.1 采用的技術(shù)原理

雙永磁發(fā)電機采用電壓串聯(lián)補償原理，將主永磁發(fā)電機和電勵磁補償發(fā)電機定子繞組串聯(lián)組合在一起，下在一個公共的定子鐵心中。主永磁發(fā)電機的永磁轉(zhuǎn)子和電勵磁補償發(fā)電機的轉(zhuǎn)子是相互獨立的，分別提供勵磁磁通。但是，永磁轉(zhuǎn)子提供的是固定磁通;補償發(fā)電機的轉(zhuǎn)子提供的是變化的磁通，并根據(jù)電機電壓的需要自動調(diào)節(jié)。

補償轉(zhuǎn)子磁通的自動調(diào)節(jié)，是通過旋轉(zhuǎn)自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)根據(jù)電壓信號旋轉(zhuǎn)傳感器感知的電壓高低來進行正、反向勵磁調(diào)節(jié)。電壓高于給定值時，永磁勵磁機通過旋轉(zhuǎn)AVR對補償發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行反向勵磁，使補償發(fā)電機發(fā)出的電壓與主永磁發(fā)電機發(fā)出的電壓反向，串聯(lián)迭加時，合成電壓下降;反之，電壓低于給定值時，為正向勵磁，使補償發(fā)電機發(fā)出的電壓與主永磁發(fā)電機發(fā)出的電壓同向，串聯(lián)迭加時，使合成電壓增加，從而達到恒定雙永磁發(fā)電機電壓的目的。

雙永磁發(fā)電機的工作原理圖如圖1所示。

圖1 雙永磁發(fā)電機的工作原理圖

1.2 技術(shù)路線

雙永磁發(fā)電機采用三電機結(jié)構(gòu)的混合勵磁技術(shù)路線，并將AVR放到轉(zhuǎn)子上變成旋轉(zhuǎn)AVR，對雙永磁發(fā)電機補償線圈進行正、反向勵磁調(diào)節(jié)，達到恒定雙永磁發(fā)電機輸出電壓的目的。定子上的電壓信號通過電壓信號旋轉(zhuǎn)傳感器傳遞到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上，使旋轉(zhuǎn)AVR實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。

旋轉(zhuǎn)AVR與普通電勵磁發(fā)電機的AVR是不一樣的。普通AVR只能單方向控制勵磁。旋轉(zhuǎn)AVR通過H橋可以雙方向控制勵磁，實現(xiàn)勵磁正反向調(diào)節(jié)。

雙永磁發(fā)電機設(shè)計策略是將主永磁發(fā)電機的空載電壓設(shè)計得高一些，通過反向勵磁將電壓整定在額定值;負載時，跌落的電壓由減少反向勵磁或增加正向勵磁來補充，使其恢復(fù)到額定電壓。該設(shè)計策略可使發(fā)電機設(shè)計得又小又輕，且可達到高效率。

2 設(shè)計方法簡介

雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機(以下簡稱雙永磁發(fā)電機)的發(fā)明構(gòu)想是根據(jù)串聯(lián)補償原理，借助機電一體化手段，提出了一種全新混合勵磁永磁工頻無刷同步發(fā)電機的設(shè)計新思路。

雙永磁發(fā)電機是一種高度機電一體化的合成技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品，它由三臺發(fā)電機和一套勵磁系統(tǒng)組成:一臺永磁工頻無刷同步發(fā)電機，一臺同極數(shù)的電勵磁補償工頻無刷同步發(fā)電機和一臺永磁勵磁機。

2.1 主永磁發(fā)電機設(shè)計

主永磁發(fā)電機是一種凸極發(fā)電機。首先要確定設(shè)計的額定參數(shù):額定功率、額定電壓、額定功率因數(shù)、相數(shù)、額定電流、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、冷卻方式。

根據(jù)雙永磁發(fā)電機設(shè)計策略，確定空載電壓設(shè)計預(yù)定值，一般為115% ～120%UN。

采用唐任遠院士著《現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計》一書中的永磁同步發(fā)電機電磁計算程序進行電磁設(shè)計計算。

2.2 電勵磁補償發(fā)電機設(shè)計

根據(jù)主永磁發(fā)電機計算結(jié)果所得出的空載和負載所需要的電壓補償量，確定補償電機設(shè)計的額定設(shè)計參數(shù)。

采用上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司編著的《中小型電機設(shè)計手冊》中的凸極同步發(fā)電機電磁設(shè)計程序進行電磁設(shè)計計算。

2.3 永磁勵磁機設(shè)計

根據(jù)補償發(fā)電機電磁設(shè)計計算結(jié)果所獲得負載時的勵磁電壓和勵磁電流，以及永磁勵磁機所需考慮的強勵倍數(shù)，確定永磁勵磁機的額定設(shè)計參數(shù)。

2.4 勵磁系統(tǒng)設(shè)計

2.4.1 旋轉(zhuǎn)AVR設(shè)計

根據(jù)補償發(fā)電機電磁設(shè)計計算結(jié)果所獲得負載時的勵磁電壓和勵磁電流，進行具有正反向勵磁調(diào)節(jié)功能的旋轉(zhuǎn)AVR電路設(shè)計。

2.4.2 電壓信號旋轉(zhuǎn)傳感器設(shè)計

根據(jù)旋轉(zhuǎn)AVR所確定的信號電壓值，進行電壓信號旋轉(zhuǎn)傳感器設(shè)計。

3 設(shè)計依據(jù)/標準

目前國內(nèi)還沒有正式、公開的永磁工頻無刷同步發(fā)電機的行業(yè)標準、企業(yè)標準，更沒有混合勵磁工頻無刷同步發(fā)電機的行業(yè)標準、企業(yè)標準。

為了規(guī)范雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機的設(shè)計、研制和生產(chǎn)工作，深圳市安托山特種機械有限公司特制定了Q/ATS 0101—2010《雙永磁工頻無刷三相同步發(fā)電機技術(shù)條件》，作為其設(shè)計、研制的依據(jù)。

Q/ATS 0101—2010《雙永磁工頻無刷三相同步發(fā)電機技術(shù)條件》制訂的技術(shù)要求，力求使雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機達到電勵磁工頻無刷同步發(fā)電機同等的性能和功能水平。

4 解決的關(guān)鍵技術(shù)問題及所采用的技術(shù)措施

4.1 永磁主發(fā)電機最優(yōu)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)方案的研究與技術(shù)攻關(guān)

雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機中的永磁主發(fā)電機的轉(zhuǎn)子永磁磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計是雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)之一，對這一關(guān)鍵技術(shù)進行了技術(shù)攻關(guān)工作。

設(shè)計了多達5～6個轉(zhuǎn)子永磁磁路結(jié)構(gòu)方案，進行了對比試驗研究。這些方案主要有:不同磁瓦厚度的面貼式轉(zhuǎn)子磁路方案、不同布置的混合式轉(zhuǎn)子磁路方案、均勻氣隙轉(zhuǎn)子磁路方案、非均勻氣隙轉(zhuǎn)子磁路方案、不同定位安裝結(jié)構(gòu)方式的轉(zhuǎn)子磁路方案等。從中優(yōu)化選擇了非均勻氣隙、磁瓦厚度適中、有安裝定位結(jié)構(gòu)的面貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)磁場波形好、電壓波形畸變率小、固有電壓變化小、磁瓦安裝工藝好、工效高。

4.2 永磁勵磁機最優(yōu)方案的研究與技術(shù)攻關(guān)

永磁勵磁機是雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機的關(guān)鍵部件之一。它的設(shè)計好壞，將影響發(fā)電機的瞬態(tài)指標和勵磁電流大小及提供勵磁電流的能力。在永磁勵磁機中進行了許多方案的設(shè)計比較和試驗驗證;最后選擇了粘結(jié)釹鐵硼稀土永磁材料方案和多極勵磁機方案。它可減少勵磁機的匝數(shù)，改善發(fā)電機的瞬態(tài)指標，其溫度系數(shù)小，可確保高溫下勵磁電流的供給;多極勵磁機方案可減少勵磁電流值，改善補償電機轉(zhuǎn)子繞組的發(fā)熱等。

4.3 雙永磁發(fā)電機中復(fù)合定子的斜槽技術(shù)問題研究與技術(shù)攻關(guān)

眾所周知，交流發(fā)電機中由于定子齒槽的影響，空載電壓波形中會出現(xiàn)較大的齒諧波，會嚴重影響發(fā)電機電壓波形的正弦性畸變率?，F(xiàn)代發(fā)電機又提高了空載電壓的波形正弦性畸變率指標，使齒諧波的影響更為突出。故常規(guī)發(fā)電機中需采用定子鐵心斜一槽的方法來消滅齒諧波。但在雙永磁發(fā)電機中，定子鐵心是兩個電機的組合鐵心。在研究中發(fā)現(xiàn)，斜槽設(shè)計得不好，空載電壓波形正弦性畸變率將會很差，達到13%以上。經(jīng)過理論分析和試驗研究，找到了消滅齒諧波的最佳斜槽參數(shù)值或消滅方法——斜1.05個槽或采用磁性槽楔的方法。樣機實測空載線/相電壓波形正弦性畸變率均約為2.6%。

4.4 旋轉(zhuǎn)AVR電壓調(diào)節(jié)器的研究與技術(shù)攻關(guān)

具有正、反向勵磁調(diào)節(jié)功能的旋轉(zhuǎn)AVR電壓調(diào)節(jié)器是雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機的核心部件，是雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機成功的必要條件。旋轉(zhuǎn)AVR電壓調(diào)節(jié)器目前在國內(nèi)外還未發(fā)現(xiàn)有此裝置。它是一個重要創(chuàng)新發(fā)明點，但也是一個關(guān)鍵技術(shù)難點。經(jīng)過3～4輪的研究試制，花費近一年多時間才最終技術(shù)攻關(guān)成功，完成了旋轉(zhuǎn)AVR的制作。該旋轉(zhuǎn)AVR性能優(yōu)良，空載電壓調(diào)幅范圍達到±10%，穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率指標達到±1%。旋轉(zhuǎn)AVR還同時進行了旋轉(zhuǎn)問題的可靠性設(shè)計。首先，對旋轉(zhuǎn)AVR進行了小型化設(shè)計，采用了貼片電子元件;AVR進行了灌封膠封裝設(shè)計;AVR的功率元件按最佳可靠性安裝位置進行安裝設(shè)計等。旋轉(zhuǎn)AVR目前已累計進行了1 000 h的旋轉(zhuǎn)可靠性試驗，結(jié)果未發(fā)生任何故障，非?？煽?。

4.5 電壓信號旋轉(zhuǎn)傳遞裝置的關(guān)鍵技術(shù)的研究與技術(shù)攻關(guān)

電壓信號旋轉(zhuǎn)傳遞裝置是雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機又一核心部件。電壓信號旋轉(zhuǎn)傳遞裝置目前在國內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)有此類裝置，是一個重要創(chuàng)新發(fā)明點，也是一個關(guān)鍵技術(shù)難點。對此關(guān)鍵技術(shù)組織力量進行了多輪攻關(guān)，共設(shè)計了3～4個設(shè)計方案，主要有:纖維滑環(huán)信號傳遞方案、光電轉(zhuǎn)換信號傳遞方案、霍爾元件信號傳遞方案、信號發(fā)電機傳遞方案、信號旋轉(zhuǎn)傳感器方案等。經(jīng)過方案分析和試驗驗證，最終選擇了信號旋轉(zhuǎn)傳感器方案，此方案信號傳遞準確，工作可靠性高。

5 技術(shù)性能指標試驗結(jié)果

2011年7月28日，該公司委托國家中小型電機質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對送試的ATS.K-12 12 kVA雙永磁發(fā)電機三臺樣機進行了全面鑒定試驗。試驗依據(jù)是GB/T1029—2005《三相同步電機試驗方法》和Q/ATS 0101—2010《雙永磁工頻無刷三相同步發(fā)電機技術(shù)條件》及ATS.K-12-JG《12 kVA雙永磁發(fā)電機鑒定試驗大綱》。試驗結(jié)果表明，全部性能指標及功能要求均滿足Q/ATS 0101—2010《雙永磁工頻無刷三相同步發(fā)電機技術(shù)條件》的要求，有些指標達到國際同類產(chǎn)品的先進水平。例如，發(fā)電機的效率指標高達90%，發(fā)電機的瞬態(tài)電壓指標遠高于ISO8528標準中的G3級(最高級)水平，瞬態(tài)電壓調(diào)整率達到+13.91%，－10.87% 的高水平，恢復(fù)時間達到0.298 s的高水平，如表1所示。

表1 12 kVA雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機技術(shù)性能指標達標情況對照表

6 技術(shù)成熟程度及推廣應(yīng)用前景

6.1 技術(shù)成熟程度

雙永磁發(fā)電機是一種創(chuàng)新的組合技術(shù)產(chǎn)品，其大部分技術(shù)都是成熟的。純永磁發(fā)電機的設(shè)計與制造技術(shù)在我國已有20多年的歷史，早已成熟;電勵磁發(fā)電機的設(shè)計與制造技術(shù)更是一項早已普及了的成熟技術(shù);雙永磁發(fā)電機中的電子部件——AVR的制造在國內(nèi)、外也是非常成熟的技術(shù);雙永磁發(fā)電機的創(chuàng)新組合結(jié)構(gòu)也是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，沒有什么難點。故，雙永磁發(fā)電機技術(shù)非常成熟，且便于制造。

6.2 推廣應(yīng)用前景

從理論上來講，雙永磁工頻無刷三相同步發(fā)電機技術(shù)可以應(yīng)用在所有的發(fā)電機中，包括單相、三相及工頻、中頻、直流等無刷發(fā)電機中;從功率范圍看，可以推廣到全部的中小型功率范圍內(nèi)。雙永磁工頻無刷三相同步發(fā)電機最具競爭力的市場是中、小功率的軍用內(nèi)燃發(fā)電機組市場和各行業(yè)的備用電站及要求高效率的通信行業(yè)電站市場和歐、美家用備用電站市場等。

7 結(jié)語

雙永磁工頻無刷同步發(fā)電機樣機經(jīng)國家中小型電機質(zhì)量監(jiān)督檢測中心(上海)進行了全面的鑒定試驗，測試結(jié)果表明:雙永磁發(fā)電機的方案可行，性能指標先進，技術(shù)成熟。

［1］唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計［M］.北京:北京機械工業(yè)出版社，1997.

［2］黃守道，肖紅霞，任光法，等.雙電壓復(fù)合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機設(shè)計研究［J］.微特電機，2004(9):18-20.

［3］肖慧慧，黃守道，葛照強.復(fù)合勵磁稀土永磁同步發(fā)電機輔助電勵磁部分的設(shè)計與研究［J］.電機與控制應(yīng)用，2006(9):12-14.

［4］上海電器科學(xué)研究所.中小型電機設(shè)計手冊［M］.北京:北京機械工業(yè)出版社，1995.